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微型计算机原理与应用课件 05

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微型计算机原理与应用课件 05

1,微型计算机原理及应用,中南大学 中国水利水电出版社,2,第5章 存储器系统,5.1 概述 5.1.1 存储器的一般概念 存储器是计算机系统的记忆设备,用来存放计算机的程序指令、要处理的数据、运算结果以及各种需要计算机保存的信息,是计算机中不可缺少的一个重要组成部分。从记忆信息的角度讲,计算机中的存储器就相当于人的大脑。 存储容量的单位为字节(B)、千字节(KB)或兆字节(MB)。 存储器有两种基本操作:读和写。读操作是指从存储器中读出信息,不破坏存储单元中原有的内容,所以读操作是非破坏性的操作。写操作是指把信息写入(存入)存储器,新写入的数据将覆盖原有的内容,所以写操作是破坏性的。,3,5.1.2 存储器的分类 计算机的存储器,从体系结构的观点来划分,可根据其是设在主机内还是主机外分为内部存储器和外部存储器两大类。 内部存储器(简称内存或主存)是计算机主机的组成部分之一,用来存储当前运行所需要的程序和数据,CPU可以直接访问内存并与其交换信息。相对外部存储器(简称外存)而言,内存的容量小、存取速度快。而外存刚好相反,外存用于存放当前不参加运行的程序和数据,CPU不能对它进行直接访问,而必须通过配备专门的设备才能对它进行读写(如磁盘驱动器等),这点是它与内存之间的一个很本质的区别。外存容量一般都很大,但存取速度相对比较慢。 存储器使用的存储介质有半导体器件、磁性材料、光盘等。,4,半导体存储器按照工作方式的不同,可以分为随机存取存储器(RAM,也叫读写存储器)和只读存储器(ROM)。 1随机存取存储器RAM 读写存储器按其制造工艺可以分为双极型半导体RAM和金属氧化物半导体(MOS)RAM。 2只读存储器ROM 根据制造工艺的不同,只读存储器分为ROM、PROM、EPROM、E2PROM几类。只读存储器在工作时只能读出,不能写入,掉电后不会丢失所存储的内容。 (1)掩膜式只读存储器(ROM) (2)可编程ROM(PROM) (3)可擦除的PROM EPROM(EEPROM)芯片和RAM有本质区别:首先它们不能像RAM芯片那样随机快速地写入和修改,它们的写入需要一定的条件(这一点将在后面详细介绍);另外,RAM中的内容在掉电之后会丢失,而EPROM(EEPROM)则不会,其上的内容一般可保存几十年。,5,5.1.3 存储器芯片的主要技术指标 1存储容量 存储器芯片的存储容量用“存储单元个数×每存储单元的位数”来表示。 2存取时间和存取周期 存取时间又称存储器访问时间,即启动一次存储器操作(读或写)到完成该操作所需要的时间。 3可靠性 4功耗 使用功耗低的存储器芯片构成存储系统不仅可以减少对电源容量的要求,而且可以提高存储系统的可靠性,6,5.2 随机存取存储器RAM 随机存取存储器RAM主要用来存放当前运行的程序、各种输入/输出数据、中间运算结果及堆栈等,其存储的内容既可随时读出,也可随时写入和修改,掉电后内容会全部丢失。 5.2.1 静态随机存储器(SRAM) 静态RAM的基本存储电路(即存储元)一般是由6个MOS管组成的双稳态电路(T1截止、T2导通为状态“1”,T2截止、T1导通为状态“0”),如图5-1所示。,7,8,16264存储芯片的引脚及其功能 6264芯片是一个8K×8bit的CMOS SRAM芯片,其引脚如图5-2所示。,9,26264的工作过程 对6264芯片的存取操作包括数据的写入和读出。写入过程的工作时序如图5-3所示。,10,读出过程的工作时序如图5-4所示。,11,3SRAM芯片的应用 在了解了SRAM芯片的外部引脚功能和它的工作时序之后,更重要的是如何实现它与系统的连接。将一个存储器芯片接到总线上,除部分控制信号及数据信号线的连接外,主要是如何保证该芯片在整个内存中占据的地址范围能够满足用户的要求。 可以说,掌握了存储器的地址译码方法,就掌握了存储器芯片应用的精髓。下面来介绍决定芯片存储地址空间的方法和如何实现译码。 (1)地址译码方式。 存储器的地址译码方式可以分为两种:全地址译码和部分地址译码。,12,1)全地址译码方式。所谓全地址译码,就是构成存储器时要使用全部20位地址总线信号,即所有的高位地址信号用来作为译码器的输入,低位地址信号接存储芯片的地址输入线,从而使得存储器芯片上的每一个单元在整个内存空间中具有惟一的一个地址。,13,14,2)部分地址译码方式。顾名思义,部分地址译码就是仅把地址总线的一部分地址信号线与存储器连接,通常是用高位地址信号的一部分(而不是全部)作为片选译码信号。,15,【例5-1】 用存储器芯片SRAM 6l16构成一个4KB的存储器,要求其地址范围在78000H78FFFH之间。 图5-9所示是6116芯片的外部引脚图。,16,【例5-2】 用8256存储器芯片构成1MB的存储器。 8256为256K×8bit的SRAM芯片,其外部引脚图如图5-11所示。,17,18,19,采用72LS138译码器构成译码电路。由于MSM8256芯片有18根地址线,只有两根高位地址信号A19和A18可以用于片选译码,因此将74LS138的输入端C直接接低电平,而使另外两个输入端A和B分别接到A18和A19,这两路高位地址信号的4种不同的组合分别选中4片8256。图5-12画出了存储器与系统的连接图。因篇幅的关系,其中的两片8256只画出了选片信号CS,它们的其他的引脚与另外两芯片一样,并连接在系统总线上。,20,21,5.2.2 动态随机读写存储器(DRAM) DRAM的存储元有两种结构:四管存储元和单管存储元。四管存储元的缺点是元件多,占用芯片面积大,故集成度较低,但外围电路较简单,使用简单。单管电路的元件数量少,集成度高,但外围电路比较复杂。这里仅简单介绍一下单管存储元的存储原理。,22,12164A的引脚功能 2164A是一块64K×1bit的DRAM芯片,与其类似的芯片有很多种,如3764、4164等。图5-14所示为2164A的引脚图。,23,2DRAM的工作过程 (1)数据读出。读出过程的时序如图5-15所示。,24,(2)数据写入。数据写入过程的时序如图5-16所示。,25,(3)刷新。由于DRAM是靠电容来存储信息的,而电容总是存在缓慢放电的现象,时间长了就会使存放的信息丢失。因此,DRAM使用中的一个重要问题就是必须对它所存储的信息定时进行刷新。所谓刷新,就是将动态存储器中存放的每一位信息读出并重新写入的过程。,26,3DRAM在系统中的连接 现在微型计算机系统中,大多采用DRAM芯片构成主存储器。由于在使用中既要做到能够正确读写,又要能在规定的时间里对它进行刷新。因此,微型计算机中对DRAM的连接和控制电路要比SRAM复杂得多 。 图5-18所示的是PC/XT微型计算机的DRAM简化电路图。图中用虚线画的长方体表示由8片(加奇偶校验位则为9片)2164 DRAM组成的64KB的存储器。LS158是二选一的数据选择器,LS245为驱动器。,27,28,5.2.3 存储器扩展技术 任何存储芯片的存储容量都是有限的。要构成一定容量的内存,往往单个芯片不能满足字长或存储单元个数的要求,甚至字长、存储单元数都不能满足要求。这时,就需要用多个存储芯片进行组合,以满足对存储容量的需求。这种组合就称为存储器的扩展,扩展时要解决的问题包括位扩展、字扩展和字位扩展。 1位扩展 一块实际的存储芯片,其每个单元的位数(即字长)往往与实际内存单元的字长并不相等。存储芯片可以是1位、4位或8位的,如DRAM芯片Intel 2164为64K×1位、SRAM芯片Intel 2114为1K×4位、Intel 6264芯片为8K×8位。而计算机中内存一般是按字节来进行组织的,若要使用2164、2114这样的存储芯片来构成内存,单个存储芯片字长(位数)就不能满足要求,这时就需要进行位扩展,以满足字长的要求。,29,30,【例5-3】 用Intel 2164芯片构成容量为64KB的存储器。 解:因为2164是64K×1位的芯片,其存储单元数已可以满足要求,但字长不够,所以需要8片2164进行位扩展,线路连接如图5-20所示,31,2字扩展 字扩展是对存储器容量的扩展(或存储空间的扩展)。此时存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求(如字长已为8位),而只是存储单元的个数不够,需要增加的是存储单元的数量,这就是字扩展,即用多片字长为8位的存储芯片构成所需要的存储空间。字扩展的电路连接方法是:将每个芯片的地址信号、数据信号和读/写信号等控制信号线按信号名称全部并联在一起,只将片选端分别引出到地址译码器的不同输出端,即用片选信号来区别各个芯片的地址,其连接示意图如图5-21所示。,32,33,【例5-4】 用两片64K×8位的SRAM芯片构成容量为128KB的存储器。 解:这里现有的芯片容量为64KB,构成容量为128KB的存储器需要128KB/64KB=2片,线路连接如图5-22所示。图中两片芯片的地址范围分别为:20000H2FFFFH和30000H3FFFFH 。,34,35,3字位扩展 在构成一个实际的存储器时,往往需要同时进行位扩展和字扩展才能满足存储容量的需求。扩展时需要的芯片数量可以这样计算:要构成一个容量为位的存储器,若使用位的芯片(),则构成这个存储器需要个这样的存储器芯片。 进行字位扩展时,一般先进行位扩展,构成字长满足要求的内存模块,然后再用若干个这样的模块进行字扩展,使总存储容量满足要求。 【例5-5】用Intel 2164构成容量为128KB的内存。 解:由于2164是64K×1的芯片,所以首先要进行位扩展。用8片2164组成64KB的内存模块,然后再用两组这样的模块进行字扩展。所需要的芯片数为(128/64)×(8/1)=16片。,36,要寻址128K个内存单元至少需要17位地址信号线(217=128K)。而2164有64K个单元,只需要16位地址信号(分为行和列),余下的一根地址线用于区分两个64KB的存储模块。 所以,构成此内存共需要16片2164芯片,至少需要17根地址信号线,其中16根用于2164的片内寻址(行、列地址),一根用于片选地址译码(用于区分存取哪一个64KB模块)。线路连接示意图如图5-23所示。 综上所述,存储器容量的扩展可以分为以下3步: (1)选择合适的芯片。 (2)根据要求将芯片“多片并联”进行位扩展,设计出满足字长要求的“存储模块”。 (3)对“存储模块”进行字扩展,构成符合要求的存储器。,37,38,5.3 只读存储器(ROM) 只读存储器ROM因其具有掉电后信息不会丢失的特点,故一般用于存放一些固定的程序,如监控程序、BIOS程序等。本节主要介绍两种可擦除的只读存储器:EPROM和EEPROM。 5.3.1 EPROM EPROM是一种可擦除可编程的只读存储器。擦除时,用紫外线照射芯片上的窗口,即可清除存储的内容。擦除后的芯片可以使用专门的编程写入器对其重新编程(写入新的内容)。存储在EPROM中的内容能够长期保存达几十年之久,而且掉电后其内容也不会丢失。,39,以一种典型的EPROM芯片2764为例来介绍这类芯片的特点和应用。 1引脚及功能 2764的外部引脚如图5-24所示。这是一块8K×8bit的EPROM芯片,它的引脚与前边介绍的SRAM芯片6264是兼容的。这给使用者带来很大方便。因为在软件调试过程中,程序经常需要修改,此时可将程序先放在6264中,读写修改都很方便。调试成功后,将程序固化在2764中,由于它与6264的引脚兼容,所以可以把2764直接插在原6264的插座上。这样,程序就不会由于断电而丢失。,40,41,22764的工作过程 2764可以工作在读出、编程写入和擦除三种方式下。 (1)数据读出。,42,因为2764与6264 SRAM在引脚上是兼容的,所以在与系统的连接使用上可按与RAM芯片相同的方法来进行电路设计。 图5-26所示是2764芯片与8088总线的连接图。由图可以看出,2764芯片的地址范围为70000H71FFFH。,

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